Hidrodinámica (II)
Introducción
Bienvenido a la octava clase digital, en esta clase continuaremos con los temas de Hidrodinámica, se analizará el comportamiento de un fluido con viscosidad y el caudal que tiene al aplicar la Ecuación de Poiseuille; además, gracias a la Ecuación del Número de Reynolds conoceremos el tipo de flujo que existe cuando un fluido se mueve por una tubería.
Te invito a que continúes estudiando con entusiasmo.
Desarrollo del tema
Viscosidad
Como se comentó anteriormente, se define a la viscosidad como el grado con el cual un fluido se resiste a fluir.
Nota 1. Un fluido ideal es aquel cuya viscosidad tiende a ser cero.
Nota 2. La viscosidad actúa como una fuerza de fricción.
Para comprender cómo actúa la viscosidad, imagina un líquido que se encuentra entre dos placas paralelas separadas una distancia L, al moverse el fluido, las placas que están adheridas a él se mueven también:
La fuerza F hace que la placa superior rebase por encima a la inferior con velocidad v:
Donde:
v = velocidad de la placa superior sobre la inferior
L = distancia entre las placas
Por tanto, un esfuerzo cortante (F/A) aplicado a la capa superior causará una rapidez de la deformación por esfuerzo cortante en el fluido.
La viscosidad se define como:
Algunas unidades de viscosidad son las siguientes:
1 Pl = 1 Pa × s
1 P = 0.1 Pl
1 cP = 1 mPl
Pl = Poiseuille
Ley de Poiseuille
Consideremos los siguientes hechos:
1.- La presión del fluido entre una longitud L del tubo es P1 y P2, por tanto, podemos definir ΔP = P1-P2.
2.- El flujo por el tubo es proporcional a la diferencia de presión, Q α ΔP.
3.- El flujo por el tubo será mayor si el radio R es más grande y la longitud L más pequeña.
Por lo tanto, para fluidos simples y cuyas rapideces de flujo no son demasiado grandes:
Flujo laminar y flujo turbulento
Las fuerzas de fricción que las paredes del tubo ejercen sobre el fluido tienden a restringir el flujo, lo mismo las fuerzas viscosas en el fluido:
En un flujo laminar, las líneas de corriente siguen una trayectoria ordenada debido a la lentitud de su velocidad; mientras que, en un flujo turbulento, las líneas de corriente desarrollan patrones contorsionados y fluctuantes.
Para determinar si un flujo es laminar o turbulento, se usa el Número de Reynols, el cual es una cantidad adimensional:
Para un líquido que fluye dentro de una tubería, existirá un flujo laminar si el NR es menor a 2000, mientras que se presentará un flujo turbulento cuando el NR es mayor o igual a 3000. Si el número de Reynolds se encuentre entre 2000 y 3000, existe una transición entre el flujo laminar y turbulento.
Conclusión
El conocer el comportamiento de un fluido debido a su viscosidad o al flujo que presenta es muy importante en una gran variedad de procesos o aplicaciones, como lo es el conocer la calidad de los aceites que se utilizan para proteger el motor de un vehículo en el caso de la viscosidad, o el saber el tipo de flujo que se tiene, nos ayuda a diseñar vehículos o aviones que presenten una menor resistencia al movimiento, o en un proceso industrial, el tener un fluido turbulento para cuando se requiere una mejor transferencia de calor o masa.